基于CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的車(chē)輛電子故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊婷婷

（廈門(mén)興才職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門(mén) 361024）

信息化的車(chē)輛控制技術(shù)滲透到汽車(chē)的各個(gè)環(huán)節(jié)，電控單元ECU 得到了廣泛應(yīng)用，ECU 具有故障自診斷和冗余功能，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，ECU 能自動(dòng)記錄故障代碼，并采用保護(hù)措施從固有程序中讀出替代方案，以維持相關(guān)部件的正常運(yùn)行。汽車(chē)故障是指汽車(chē)不能完成其功能，如發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難、漏油、漏水、照明系統(tǒng)故障等現(xiàn)象[1]。汽車(chē)在行駛過(guò)程中出現(xiàn)電子故障會(huì)給行車(chē)安全帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)，可能危及駕駛員和車(chē)上其他人員的生命安全。

為確保汽車(chē)行駛安全，提出了汽車(chē)電子故障的監(jiān)控方法?，F(xiàn)在市場(chǎng)上有許多針對(duì)汽車(chē)故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷的工具，大部分都需要人在現(xiàn)場(chǎng)操作。大多數(shù)情況下，汽車(chē)在行駛狀態(tài)下發(fā)生故障，導(dǎo)致車(chē)輛無(wú)法正常行駛，此時(shí)，請(qǐng)?jiān)\斷人員到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)故障進(jìn)行檢查，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)成本。在此基礎(chǔ)上，提出了兩種新的解決方案：（1）當(dāng)車(chē)輛發(fā)生故障時(shí)，測(cè)試車(chē)輛應(yīng)能遠(yuǎn)程發(fā)送報(bào)警信息，通知故障診斷專(zhuān)家進(jìn)行故障排除；（2）應(yīng)開(kāi)發(fā)一套新的診斷方法，對(duì)被測(cè)車(chē)輛進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，并對(duì)車(chē)輛發(fā)生的故障進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，以取代人員到現(xiàn)場(chǎng)診斷的方法。相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，黃曉林等[2]構(gòu)建基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的汽車(chē)在線故障監(jiān)測(cè)診斷平臺(tái)。用戶端以單片機(jī)為核心，基于ELM327 模塊、ESP8266Wi-Fi 模塊實(shí)現(xiàn)汽車(chē)故障和行駛信息在線監(jiān)測(cè)診斷，系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為“互聯(lián)網(wǎng)+”的測(cè)控應(yīng)用提供了一種新方案，但是監(jiān)測(cè)速度不高；王奇[3]針對(duì)受電弓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在合肥地鐵二號(hào)線車(chē)輛檢修作業(yè)中的成功應(yīng)用，受電弓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)車(chē)號(hào)識(shí)別，從而避免了弓網(wǎng)事故的發(fā)生，但是不能保證監(jiān)測(cè)精度。因此在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了CAN 總線網(wǎng)絡(luò)。

CAN 是ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的串行通信協(xié)議，它使用多種局域網(wǎng)，以滿足高速大容量數(shù)據(jù)通信的需要。CAN總線將各種類(lèi)型的電控單元與車(chē)輛的控制系統(tǒng)連接在一起形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪箱、懸架、底盤(pán)和電子影音等多個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)信號(hào)采集，數(shù)據(jù)共享。車(chē)輛智能監(jiān)控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，掌握車(chē)輛ECU 運(yùn)行情況，提前做好車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集和分析，保證車(chē)輛在發(fā)生故障前能夠進(jìn)行維修，解決了相關(guān)車(chē)輛制造商、經(jīng)銷(xiāo)商、貨運(yùn)企業(yè)及廣大車(chē)主關(guān)注和關(guān)注的問(wèn)題。利用CAN 總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與該技術(shù)領(lǐng)域的大型維修企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)或國(guó)內(nèi)外車(chē)輛制造企業(yè)建立的故障分析診斷中心的互聯(lián)，并與相關(guān)專(zhuān)業(yè)的故障診斷人員建立協(xié)作關(guān)系，共同為系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程故障診斷服務(wù)。

1 車(chē)輛電子故障在線監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車(chē)輛電子故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用智能電子技術(shù)，結(jié)合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、變速器、底盤(pán)等過(guò)程中的關(guān)鍵部件運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、分析，當(dāng)車(chē)輛出現(xiàn)故障征兆時(shí)，駕駛員或現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員可以與車(chē)輛監(jiān)控中心連接，由監(jiān)控中心的故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)及時(shí)診斷，并給出診斷結(jié)果。

在整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上，要從需求方案入手進(jìn)行考慮分析，提出了對(duì)車(chē)輛關(guān)鍵部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)等多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳感器信號(hào)以及儀表信號(hào)的狀態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集與監(jiān)控，首先要求實(shí)現(xiàn)多通道的數(shù)據(jù)采集，其次提出了車(chē)輛關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)與環(huán)境運(yùn)行要求，最后一體化處理監(jiān)測(cè)狀態(tài)與分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛故障在線監(jiān)測(cè)的最終目標(biāo)，即設(shè)計(jì)一種新的車(chē)輛電子故障在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)[4]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，引用CAN 總線網(wǎng)絡(luò)，首先需要從硬件的角度對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后系統(tǒng)硬件總體框架如圖1 所示。

1.1 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)模塊

CAN 總線網(wǎng)絡(luò)模塊中CAN 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

CAN 控制器包括CAN 核心、消息類(lèi)型RAM處理狀態(tài)機(jī)和控制寄存器。CAN 內(nèi)核由一個(gè)負(fù)責(zé)接收和發(fā)送消息的 CAN 協(xié)議控制器和一個(gè)RX/TX 移位寄存器組成。消息RAM 用于存儲(chǔ)消息對(duì)象和每個(gè)對(duì)象的識(shí)別掩碼。CAN 處理器有32個(gè)可配置的消息對(duì)象。每個(gè)對(duì)象都有自己的識(shí)別掩碼，CAN 控制器對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾。

1.1.1 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的ISO/OSI 模型，CAN 總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為兩層，即數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，總線符合該標(biāo)準(zhǔn)模型。在這些數(shù)據(jù)鏈層中，服務(wù)于數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求，確認(rèn)數(shù)據(jù)鏈層接收到的消息已經(jīng)收到，并提供恢復(fù)管理和超負(fù)荷信息[5]。其中物理層主要是傳輸規(guī)則，即控制幀結(jié)構(gòu)，進(jìn)行仲裁。

1.1.2 CAN 收發(fā)器

選擇CTMl050 收發(fā)器，這是一種高速CAN 收發(fā)器芯片，它集成了電源隔離、電氣隔離和CAN 收發(fā)裝置，使CAN 控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)化為CAN 總線的差分電平，并具有DC2500V 隔離功能和ESD 保護(hù)功能。模塊TXD、RXD 插頭兼容+3.3 V, +5 V 的CAN 控制器，無(wú)需外接其他元件，直接連接+3.3 V 的發(fā)送、接收插頭。CAN 總線上采用隔離式CAN 收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)了各節(jié)點(diǎn)電氣、電源的完全隔離和獨(dú)立，提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。

1.1.3 CAN 網(wǎng)絡(luò)適配卡

該CAN 網(wǎng)絡(luò)適配卡為PC-ISA 總線擴(kuò)展卡，具有擴(kuò)展接口。CAN 網(wǎng)絡(luò)卡的主要功能是：將CAN 網(wǎng)絡(luò)連接到PC 機(jī)，實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)與CAN 總線之間的通訊。采用 CAN 控制器，具有總線仲裁、故障檢測(cè)、自動(dòng)重發(fā)等功能，避免了數(shù)據(jù)丟失，保證了系統(tǒng)的可靠性。由于采用了兩片SJA1000 芯片，并且每個(gè)芯片由系統(tǒng)分配一個(gè)獨(dú)立的存取空間，因此，該兩路通信卡可以同時(shí)獨(dú)立工作[6]。計(jì)算機(jī)通過(guò)ISA 總線與CAN 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換。連接卡的基址是通過(guò)6 個(gè)DIP 開(kāi)關(guān)設(shè)置的。通過(guò)雙八位數(shù)據(jù)比較器74LS688，將適配卡的基地址與PC 機(jī)要訪問(wèn)的高八位地址進(jìn)行比較，以確定系統(tǒng)是否訪問(wèn)了適配卡。

圖1 車(chē)輛電子故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件總體框架圖

圖2 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1.4 CAN 總線及接口電路

CAN 總線雙環(huán)光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是單環(huán)網(wǎng)絡(luò)與雙環(huán)冗余技術(shù)的結(jié)合，為了實(shí)現(xiàn)雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)，首先需要實(shí)現(xiàn)CAN 總線節(jié)點(diǎn)單環(huán)光纖接口。帶雙絞線接口的CAN 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，只需增加一個(gè)光纖接口模塊，即可在光纖網(wǎng)中方便地實(shí)現(xiàn)連接[7]。針對(duì)光纖環(huán)路傳輸中存在的死鎖現(xiàn)象，對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)單環(huán)接口電路進(jìn)行了改進(jìn)，電路圖如圖3 所示。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

車(chē)輛電子故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)信號(hào)包括模擬信號(hào)，采集卡用于系統(tǒng)模擬信號(hào)，采集卡用于開(kāi)關(guān)信號(hào)采集。裝置采用32 路單端模擬量輸入，24 路可編程開(kāi)關(guān)量信號(hào)，采集轉(zhuǎn)換支持多種觸發(fā)方式。為了提高可靠性，AC6682 采用365 PCI 接口芯片和門(mén)陣列作為主芯片，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)?？删幊涕T(mén)陣列的設(shè)計(jì)[8]。另外，使用脈沖波形采集卡進(jìn)行高頻信號(hào)的采集，該設(shè)備的采樣周期需要滿足如下關(guān)系式：

圖3 CAN 總線單環(huán)接口電路圖

式中， fmax表示被采樣信號(hào)的最高頻率。除了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集卡外，還需要在數(shù)據(jù)采集電路中安裝A/D 轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換與交互。

1.3 微控制器MCU 模塊

微控制器采用8051F040 單片機(jī)，屬于8051 系列。它有2 個(gè)AD 轉(zhuǎn)換器，20 多個(gè)A/D 采集通道，8 個(gè)8 位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字I/O 通道。它具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集能力，內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)CAN 模塊化。另外，8051F040 還具有計(jì)算速度快、程序通用、調(diào)試方便、存儲(chǔ)空間大、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。單片機(jī)模塊外圍電路主要包括電源、參考電壓、保護(hù)電路和晶體振蕩器電路。系統(tǒng)采用低壓直流24 V 電源，通過(guò)24 V 的DC/DC 變換獲得所需的各種電源，設(shè)計(jì)充分考慮了車(chē)載電源的波動(dòng)能量。此外，在每個(gè)功能模塊的電源端增加限流電路。系統(tǒng)采用了24.768 MHz 的外晶體振動(dòng)。

1.4 存儲(chǔ)器與處理器模塊

由于車(chē)載工作環(huán)境的特殊性，在車(chē)載運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)的設(shè)備要求很高，不僅要支持快速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，還要能夠承受大量的數(shù)據(jù)讀取。因此，采用了一種新型的FRAM 存儲(chǔ)設(shè)備，其核心技術(shù)是鐵電晶體材料，具有即時(shí)存儲(chǔ)和非易失性存儲(chǔ)產(chǎn)品的特點(diǎn)。FM24C256 是一種容量為256 kB 的鐵電存儲(chǔ)器。它可以在總線速度為15 MHz 時(shí)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。其內(nèi)部接口電路如圖4 所示。

此外，車(chē)輛總線數(shù)據(jù)采集及故障診斷系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)處理來(lái)自車(chē)載網(wǎng)絡(luò)CAN 總線的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)判斷、分析等處理來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。在分析嵌入式系統(tǒng)處理器特性的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)后期的擴(kuò)展性出發(fā)，選擇了LM3S2948 型嵌入式處理器作為車(chē)輛電子故障在線監(jiān)控系統(tǒng)的處理器。

1.5 車(chē)輛及電子故障GPS 定位模塊

車(chē)輛電子故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用Holuxgr-89 型GPS 模塊作為GPS 定位裝置。該模塊可使20 路GPS 接收機(jī)同時(shí)接收20 顆衛(wèi)星的接收碼[9]。GPS 設(shè)備系統(tǒng)與外部設(shè)備之間通過(guò)RS2232 串口進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。GPS 接收機(jī)Holuxgr-89 通過(guò)S3C2410 的UART 接口與GPS 接收機(jī)相連，采集定位信息。NMEA0813 格式接收GPS 定位信息，讀取、分析、計(jì)算后發(fā)送給處理器，然后以LCD 方式存儲(chǔ)和顯示，最后通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)。

圖4 鐵電存儲(chǔ)器接口電路圖

2 車(chē)輛電子故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)庫(kù)中加入各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和參數(shù)報(bào)警恢復(fù)數(shù)據(jù)，建立車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。因?yàn)閱蝹€(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是沒(méi)有意義的，所以必須將監(jiān)測(cè)名稱(chēng)、監(jiān)測(cè)時(shí)間、數(shù)據(jù)狀態(tài)等等以及該點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值綁定到數(shù)據(jù)庫(kù)中。車(chē)輛行駛過(guò)程中，通過(guò)對(duì)行駛設(shè)備監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲取各監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)值[10]。因?yàn)闅v史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史報(bào)警器恢復(fù)數(shù)據(jù)是進(jìn)行設(shè)備安全分析的主要指標(biāo)，用戶可通過(guò)設(shè)定一定的時(shí)間范圍，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)即可查詢到該點(diǎn)運(yùn)行的狀態(tài)參數(shù)值，便于對(duì)車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中電子設(shè)備的變化情況進(jìn)行初步分析和判斷，為車(chē)輛安全狀況分析提供必要的依據(jù)。建立的車(chē)輛電子故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括4 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表，其中Record 表是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表，存儲(chǔ)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)中，車(chē)載Recordtime 是數(shù)據(jù)采集時(shí)間，Rec0-Rec4 是監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，車(chē)載Paraname 是監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的名稱(chēng)。全調(diào)表格是系統(tǒng)報(bào)警數(shù)據(jù)表格，保存報(bào)警數(shù)據(jù)。它的車(chē)載Paraname 是警報(bào)參數(shù)名，車(chē)載Alarmstate 是警報(bào)狀態(tài)信息，車(chē)載Alarmtime 是警報(bào)時(shí)間，車(chē)載Alarmvalue 是一個(gè)數(shù)值。此外，由于該系統(tǒng)采用車(chē)載CAN 總線網(wǎng)絡(luò)和車(chē)載GPS 技術(shù)，在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上分別建立車(chē)載CAN 表和車(chē)載GPS 表，分別存儲(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)信息和車(chē)輛的實(shí)時(shí)運(yùn)行位置信息，因此，相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)如表1 所示。

該數(shù)據(jù)庫(kù)在存儲(chǔ)實(shí)時(shí)采集和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的同時(shí)，還需要存儲(chǔ)車(chē)輛在正常情況下各參數(shù)的波動(dòng)范圍，并形成車(chē)輛運(yùn)行參數(shù)異常與故障之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，作為判斷車(chē)輛電子故障的診斷標(biāo)準(zhǔn)。最后，ODBC 選擇通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)源的方式訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)并生成數(shù)據(jù)庫(kù)連接。

表1 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)與GPS 位置信息數(shù)據(jù)表

3 車(chē)輛電子故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

3.1 CAN 驅(qū)動(dòng)的加載和調(diào)用

采用SAEJ1939，其組成結(jié)構(gòu)如表2 所示，在CAN 總線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和控制，首先制定相應(yīng)的傳輸協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和控制。

表2 SAE J1939 協(xié)議組成表

受表2 中協(xié)議的約束，首先需要定義一個(gè)接收、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和一個(gè)指向幀接收和發(fā)送緩沖區(qū)的指針，以及一個(gè)指向CAN 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息的指針，并初始化系統(tǒng)，主要包括系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置、GPIO 接口的實(shí)現(xiàn)、開(kāi)總中斷等。CAN 節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建和初始化，主要包括選擇節(jié)點(diǎn)通道號(hào)，設(shè)置通信速率，消息對(duì)象RAM 初始化等[11]。隨后設(shè)置節(jié)點(diǎn)驗(yàn)收過(guò)濾器，主要是設(shè)置接收幀ID 和接收幀ID 屏蔽碼，最終使CAN 數(shù)據(jù)接收中斷。

3.2 分析ECU 的運(yùn)行模式

車(chē)輛電子控制系統(tǒng)ECU 是電子故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)對(duì)象，它由燃料電池控制系統(tǒng)ECU, Ni-H 電池管理系統(tǒng)ECU，能量管理系統(tǒng)ECU，顯示系統(tǒng)ECU, PC 監(jiān)控與協(xié)議分析器ECU，智能DC-DC 轉(zhuǎn)換器，電機(jī)控制器ECU 和光纖CAN 網(wǎng)絡(luò)組成。該系統(tǒng)通過(guò)各模塊之間的協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的牽引和制動(dòng)控制，將主電位器RPI 或調(diào)車(chē)器中的最大值、級(jí)位指令與機(jī)車(chē)速度反饋信號(hào)一起輸入到牽引特性形成環(huán)節(jié)。在輸入定值積分器后對(duì)其進(jìn)行脈寬調(diào)制，調(diào)制成幅值110 V 的調(diào)制波，將調(diào)制波送到重機(jī)車(chē)和本務(wù)機(jī)車(chē)的解調(diào)制成給定值積分器輸出的電壓信壓信中規(guī)定的限壓值后，軸重補(bǔ)償環(huán)節(jié)產(chǎn)生電流差信號(hào)。在電動(dòng)機(jī)電流大于某規(guī)定值時(shí)，軸重補(bǔ)償環(huán)節(jié)產(chǎn)生電流差信號(hào)，該信號(hào)僅附加在前轉(zhuǎn)向架上，以達(dá)到前構(gòu)架負(fù)載減小的目的[12]。當(dāng)達(dá)到給定的最大電壓限值時(shí)，電機(jī)電壓持續(xù)升高，反饋信號(hào)不斷上升，最大電壓限值調(diào)節(jié)器的輸出小于電流調(diào)節(jié)器的輸出，因?yàn)樽畲箅妷合拗嫡{(diào)節(jié)器的輸出是在最小電壓限值環(huán)節(jié)作用下的輸出，因此，當(dāng)達(dá)到最大電壓限值調(diào)節(jié)器的輸出時(shí)，兩小段橋的移相角被限制在與電機(jī)電壓限值相對(duì)應(yīng)的位置，從而實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛的電子牽引控制，從而實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛的電子制動(dòng)控制。

3.3 實(shí)時(shí)車(chē)輛電子數(shù)據(jù)采集

利用硬件系統(tǒng)中的采集卡設(shè)備，并通過(guò)采集卡各個(gè)通道端口的配置設(shè)置對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集內(nèi)容，并實(shí)現(xiàn)車(chē)輛電子運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集。得出的車(chē)輛電子運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集結(jié)果可以表示為

式中，Y 表示的是車(chē)輛電子運(yùn)行狀態(tài)值，X 為采集卡接收到的數(shù)據(jù)，B 為分辨率，C 為偏移量。在采集信號(hào)的過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集卡受到采集卡硬件、外部干擾等因素的影響，信號(hào)序列中必然含有噪聲或異常信號(hào)，為從采集信號(hào)中提取有用數(shù)據(jù)，在軟件部分也同樣需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。采集器采集的載重和距離信號(hào)，綜合考慮后，采用小波消噪技術(shù)對(duì)胎壓信號(hào)進(jìn)行消噪處理。通過(guò)數(shù)據(jù)卡的操作和對(duì)車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理，獲取車(chē)輛電子狀態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集結(jié)果。

3.4 實(shí)現(xiàn)車(chē)輛電子故障在線監(jiān)測(cè)

根據(jù)采集卡獲取的車(chē)輛電子運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)車(chē)輛電子故障進(jìn)行診斷。以ABS 輪速傳感器故障為例，給出了電子故障診斷的步驟，流程圖如圖5 所示。

按照?qǐng)D5 中的診斷流程，將實(shí)時(shí)采集的車(chē)輛狀態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置的數(shù)據(jù)與故障的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，便可以確定當(dāng)前電子車(chē)輛是否存在故障。若判斷車(chē)輛電子存在故障，則結(jié)合故障等級(jí)立即啟動(dòng)相應(yīng)的報(bào)警程序。

圖5 車(chē)輛電子故障診斷流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

以測(cè)試基于CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的車(chē)輛電子故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效率為目的，設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)效率分別從監(jiān)測(cè)結(jié)果的時(shí)效性和精度兩個(gè)方面進(jìn)行量化分析，并通過(guò)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的對(duì)比得出測(cè)試結(jié)果，體現(xiàn)出設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

4.1 系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境

應(yīng)用適當(dāng)?shù)能浖_(kāi)發(fā)方法，對(duì)于實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是至關(guān)重要的。系統(tǒng)所需的主要軟件支持如下：Windows CE. NET4.2 操作系統(tǒng)；Visual Studio. NET 2003; Microsoft SQLserver2000; Windows CE4.0 或更新版本。

4.2 準(zhǔn)備車(chē)輛樣本

此次實(shí)驗(yàn)中分別選擇大眾捷達(dá)作為系統(tǒng)測(cè)試的車(chē)輛樣本，其中大眾捷達(dá)車(chē)身尺寸為4 624 mm×1 841 mm×1 644 mm，軸距2 730 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)：1.4T 110 kW/250 N?m，變速箱：6 擋手自一體。共準(zhǔn)備10 臺(tái)該型號(hào)的車(chē)輛樣本，并在車(chē)輛上安裝ECU 控制系統(tǒng)，保證電子控制單元的正常運(yùn)行。

4.3 設(shè)置車(chē)輛電子故障數(shù)據(jù)

為了實(shí)現(xiàn)車(chē)輛電子故障的量化對(duì)比，此次實(shí)驗(yàn)以電子控制單元以及車(chē)輛的運(yùn)行電壓作為測(cè)試對(duì)象，因此需要對(duì)實(shí)時(shí)電壓進(jìn)行設(shè)置，并通過(guò)電壓的設(shè)置值來(lái)控制車(chē)輛電子是否存在故障。實(shí)時(shí)電壓的設(shè)置情況如圖6 所示。

4.4 設(shè)置CAN 總線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)

由于設(shè)計(jì)的車(chē)輛電子故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用了CAN 總線網(wǎng)絡(luò)，因此需要在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中搭建CAN 總線網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況以及協(xié)議的接收界面如圖7 所示。

圖6 車(chē)輛實(shí)時(shí)電壓設(shè)置曲線圖

圖7 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)及其協(xié)議接收界面

4.5 系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程

為了形成實(shí)驗(yàn)對(duì)比，在系統(tǒng)測(cè)試之前首先設(shè)置文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)對(duì)比系統(tǒng)。在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以調(diào)用CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中的信息，但兩個(gè)對(duì)比系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)中通信信息的調(diào)用。分別將3 個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以程序代碼的形式導(dǎo)入到實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，并得出系統(tǒng)的運(yùn)行界面如圖8 所示。

4.6 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

在系統(tǒng)的測(cè)試過(guò)程中，主要針對(duì)監(jiān)測(cè)誤差和監(jiān)測(cè)耗時(shí)進(jìn)行具體的量化統(tǒng)計(jì)，將10 車(chē)輛電子運(yùn)行電壓的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果與圖6 表示的設(shè)置結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分別得出三個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)誤差對(duì)比結(jié)果，如圖9 所示。

圖8 車(chē)輛電子故障在線監(jiān)測(cè)界面

圖9 車(chē)輛電子故障在線監(jiān)測(cè)誤差對(duì)比曲線

文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)獲取的故障信號(hào)誤差曲線波動(dòng)較大，誤差范圍在0.59～-0.23。文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)獲取的故障信號(hào)誤差曲線波動(dòng)同樣較大，誤差范圍在0.57～-0.28，相較于其他兩個(gè)系統(tǒng)，本文系統(tǒng)獲取的故障信號(hào)誤差曲線波動(dòng)較平穩(wěn)，誤差范圍僅為0.34 至0.08。綜合以上可以得出結(jié)論：通過(guò)CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，車(chē)輛電子故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在保證監(jiān)測(cè)精度的同時(shí)，提高了監(jiān)測(cè)速度，即系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效率有所提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用CAN 總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛電子故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以為車(chē)輛提供更全面、及時(shí)的安全行車(chē)保障，大大減少因車(chē)輛故障甚至事故造成的損失，同時(shí)還可以建立更科學(xué)的車(chē)輛維修保養(yǎng)制度，延長(zhǎng)車(chē)輛零部件的使用壽命，減少不必要的維修保養(yǎng)支出。